Chapitre 2 - Biomembranes 2024/2025 PDF

UNIVERSITE MOHAMED KHIDER BISKRA Département des Sciences de la Nature et de la Vie 3ème année Licence Option : Biochimie 2024/2025 Module : Biochimie cellulaire et fonctionnelle Chapitre 2 : Biomembranes Dr. A...

UNIVERSITE MOHAMED KHIDER BISKRA Département des Sciences de la Nature et de la Vie 3ème année Licence Option : Biochimie 2024/2025 Module : Biochimie cellulaire et fonctionnelle Chapitre 2 : Biomembranes Dr. ATHAMENA. A 0 Chapitre 2 : Biomembranes 1. Historique de la représentation de la membrane biologique (jusqu’à 1972) Ce paragraphe décrit les différents modèles qui se sont succédés afin d’expliquer l’organisation structurale de la membrane plasmique jusqu’au modèle de la mosaïque fluide de 1972. Modèle d’Overton (1885-1910) Cherchant des substances capables d’être absorbées par les cellules des plantes, Overton découvre que les substances non polaires passent rapidement à travers la membrane. Cette observation remet en question le modèle de l’époque selon lequel la membrane n’est perméable qu’à l’eau. À partir de ces études, Overton propose une hypothèse préliminaire : « certaines molécules -les lipides- passent à travers la membrane en se dissolvant à l’intérieur de la membrane, constituée elle-même de lipides ». En 1917, Langmuir formule l’hypothèse selon laquelle les lipides forment une monocouche sur l’eau en s’orientant verticalement, leur chaînes carbonées étant hors de l’eau alors que leurs groupements polaires restent en contact avec la surface de l’eau. Modèle de Gorter et Grendel (1937) En 1925, Gorter et Grendel solubilisent les lipides d’un globule rouge à l’aide d’acétone. En utilisant une cuve de Langmuir, ils mesurent la superficie de la monocouche de lipides ainsi formée. Parallèlement, ils évaluent la surface d’un globule rouge en supposant qu’il a une forme sphérique. La surface calculée d’un globule rouge est alors égale à la moitié de la superficie mesurée de la monocouche de lipides provenant de ce globule rouge ; ils concluent que la membrane est une double couche de lipides (Fig. 1). Figure 1 – Bicouche lipidique. Modèle de Gorter et Grendel, 1937 Modèles de Danielli et Davson et modèle de Robertson (1935-1970) Danielli et Davson ont proposé un nouveau modèle en 1935, dans lequel les protéines sont parties intégrantes de la membrane. Chaque côté de la bicouche lipidique est recouvert d’un manteau de protéines globulaires, les protéines étant attachées par des liaisons ioniques aux 2 Chapitre 2 : Biomembranes têtes polaires des lipides (Fig. 2a). Ce modèle est étendu quelques années plus tard à des protéines dépliées et qui peuvent constituer un fin manteau protéique en contact étroit avec les lipides. Figure 2 – Modèles de membrane cellulaire. a) Modèle de Danielli et Davson, 1935. b) Modèle de Robertson, 1964. Ce modèle semble confirmé par les premières images de microscopie électronique obtenues par Robertson : la membrane est une structure de 7-8 nm d’épaisseur en trois lames (deux lignes noires supposées être les protéines entourent une zone claire correspondant à la bicouche lipidique). Ces images montrent également que la membrane biologique est asymétrique et que toutes les membranes des cellules ont la même composition. Milieu extracellulaire Membrane plasmique Cytosol Figure 3 – Structure tripartite de la membrane plasmique vue au microscope électronique De nombreuses observations mettent néanmoins à mal ce modèle de membrane représenté sur la Fig. 2. D’abord, les membranes ne sont pas symétriques et le rapport du nombre de lipides sur le nombre de protéines change d’une cellule à l’autre. Ensuite, cette structure paraît instable : les protéines membranaires sont amphiphiles et leurs zones hydrophobes se trouvent selon ce modèle dans un environnement aqueux ; un manteau protéique sépare de l’eau les têtes polaires des lipides. D’autre part, les images obtenues par la technique de cryofracture semblent indiquer que des protéines sont incluses à l’intérieur de la bicouche lipidique. 3 Chapitre 2 : Biomembranes Modèle de Singer et Nicolson (1972) Ce modèle de la mosaïque fluide reste le modèle de référence, même s’il a subi quelques aménagements. La membrane plasmique y est décrite comme une bicouche lipidique fluide dans laquelle flottent des protéines. Dans le modèle original de Singer et Nicolson, lipides et protéines sont distribués plus ou moins aléatoirement. Les protéines sont insérées plus ou moins profondément dans la bicouche lipidique sous forme compacte : les protéines peuvent être intégrales (protéines transmembranaires) ou adsorbées à la surface de la bicouche (Fig. 4a). Les chaînes polypeptidiques, le plus souvent organisées sous forme d’hélices α et contenant de nombreux résidus d’acides aminés hydrophobes, prennent la place des lipides et assurent ainsi la continuité de la partie hydrophobe de la membrane (Fig. 4c). Les parties les plus hydrophiles des protéines émergent sur au moins une des deux faces de la bicouche. La face externe de la membrane est rendue encore plus hydrophile par la présence de résidus osidiques (Fig. 4d). L’agitation thermique est responsable de la diffusion et de la rotation de toutes les molécules dans le plan de la membrane. Figure 4 – Modèle de Singer et Nicolson, 1972. a) Schéma 2D. b) Schéma 3D tiré de l’article [Singer 72]. c) Hélices α. d) Modèle amélioré de la mosaïque fluide, développé dans les années 80. Les oses sont tous situés sur le côté extracellulaire de la membrane. 4 Chapitre 2 : Biomembranes Figure 5 – Évolution du concept de membrane biologique (jusqu’à 1972) 2. Structure et composition des membranes biologiques : La survie de chaque type de cellule animale dépend du maintien d'un contenu intracellulaire unique malgré la différence de concentration remarquable du fluide qui l'entoure. La différence de composition des fluides à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule est maintenue par la membrane plasmique, une mince couche de lipides et de protéines qui forme la barrière externe de chaque cellule enfermant son contenu. En plus d'être une barrière mécanique de séquestration, la membrane plasmique joue un rôle actif dans la détermination de la composition interne de la cellule en permettant le passage sélectif des substances de l'extérieur vers l'intérieur ou vice-versa. Outre le fait de contrôler l'entrée des molécules nutritives et la sortie des produits de déchets, la membrane plasmique maintient les différences de concentrations ioniques entre ces deux faces. Ces différences sont importantes pour l'activité électrique de la cellule. La membrane plasmique joue également un rôle clé dans la capacité de la cellule à répondre à des changements ou signaux du milieu environnant. 5 Chapitre 2 : Biomembranes Quel que soit le type de cellule, ces fonctions communes accomplies par la membrane plasmique sont essentielles pour la survie de la cellule. 2-1 Différents constituants de la membrane plasmique La membrane plasmique est trop fine pour être vue avec un microscope photonique ordinaire, mais, au microscope électronique, elle apparaît comme une structure trilaminaire (à trois couches) comprenant deux couches (ou feuillets) sombres séparées par une couche claire (Figure 6). C'est l'arrangement spécifique des molécules constitutives qui expliquent cet aspect en sandwich. Figure 6 – Structure en 3 couches de la membrane cellulaire vue au ME Toutes les membranes plasmiques sont composées principalement de lipides et de protéines, ainsi que de petites quantités de glucides. Les lipides membranaires les plus abondants sont les phospholipides auxquels s'ajoutent des quantités moindres de cholestérol.  Les phospholipides : Ils ont une tête polaire (électriquement chargée) avec un groupement phosphate chargé négativement et deux queues non polaires (électriquement neutres) d'acides gras (Figure 7a). L'extrémité polaire est hydrophile (qui aime l'eau) car elle interagit avec les molécules d'eau également polaires ; l'extrémité non polaire est hydrophobe (qui craint l'eau) et ne se combine pas à l'eau. De telles molécules à deux extrémités distinctes s'auto- assemblent en une bicouche lipidique quand elles sont en contact avec l'eau (Figure 7b). Les queues hydrophobes s'enfoncent dans le centre, loin de l'eau, tandis que les têtes se localisent des deux côtés au contact de l'eau. La face externe de la bicouche est au contact du fluide extracellulaire (FEC) alors que la face interne est au contact du fluide intracellulaire (FIC) (Figure 7c). 6 Chapitre 2 : Biomembranes Figure 7 – Structure et organisation des molécules phospholipidiques dans une bicouche lipidique. (c) Séparation des FEC et FIC par la bicouche lipidique La bicouche lipidique n'est pas une structure rigide à la température normale du corps mais est au contraire fluide. Les phospholipides, qui ne sont pas tenus les uns aux autres par des liaisons chimiques covalentes, sont en mouvement permanent. Ils peuvent tourner sur eux- mêmes, vibrer et se déplacer dans leur demi-couche, changeant de place des millions de fois par seconde. Le mouvement des phospholipides est en grande partie responsable de la fluidité membranaire. Un certain degré de fluidité est requis, par exemple, pour l'activité des protéines de transport et des canaux ainsi que pour les changements de forme. À l'opposé, une membrane excessivement fluide est trop perméable et peut endommager ou tuer les cellules. 7 Chapitre 2 : Biomembranes  Le cholestérol : Il contribue à la fois à la fluidité et à la stabilité de la membrane. Les molécules de cholestérol, intercalées entre celles des phospholipides, empêchent la coalescence des chaînes d'acides gras, processus qui réduirait dramatiquement la fluidité membranaire. Par leurs relations spatiales avec les phospholipides, les molécules de cholestérol aident à stabiliser la position de ces derniers. Figure 8 – Modèle de la mosaïque fluide de la structure membranaire.  Les protéines membranaires Elles sont attachées à la bicouche lipidique ou insérées dans celle-ci (Figure 8). Les protéines intégrées sont ancrées dans la bicouche ; si elles occupent toute l'épaisseur de celle-ci, ce sont des protéines transmembranaires. Comme les phospholipides, les protéines intégrées ont des régions hydrophiles et des régions hydrophobes. Les protéines périphériques sont généralement des molécules polaires qui ne pénètrent pas dans la membrane. Elles garnissent la surface externe ou interne, attachées par des liaisons faibles aux régions polaires des protéines intégrées ou aux lipides. La membrane plasmique a environ 50 fois plus de molécules de lipides que de molécules de protéines. Toutefois, les protéines, plus volumineuses que les lipides, représentent, en masse, près de la moitié de celle de la membrane. La fluidité de la bicouche lipidique permet à beaucoup de protéines membranaires de flotter librement bien que le cytosquelette limite le déplacement de certaines protéines spécialisées dans une fonction à des aires spécifiques de la cellule. Cette vue de la membrane plasmique est connue comme le modèle de la mosaïque fluide, en référence à la fluidité de la membrane et à la répartition en mosaïque des protéines incluses dans la bicouche lipidique. 8 Chapitre 2 : Biomembranes Une petite quantité de glucides membranaires est présente uniquement sur la surface externe. De courtes chaînes glucidiques émergent de la surface externe comme de petites antennes, liées aux protéines principalement et aux lipides pour quelques-unes. Les ensembles moléculaires ainsi constitués sont des glycoprotéines et des glycolipides respectivement (Figure 9) et le manteau sucré qu'elles forment est appelé glycocalyx (glyco signifie « doux » ; calyx signifie « pellicule »). Figure 9 – Modèle moléculaire du glycocalyx. Les chaînes de sucre sont représentées en vert, liées aux protéines transmembranaires en rouge. 2-2 Le modèle de la mosaïque décrit la structure et la fonction de la membrane Le modèle de la mosaïque fluide peut expliquer l'aspect trilaminaire de la membrane plasmique. Quand les chercheurs utilisent des contrastants pour visualiser la membrane plasmique au microscope électronique, les deux couches ou feuillets sombres correspondent aux régions polaires des lipides et aux molécules protéiques sur lesquelles se sont déposés les contrastants. Le feuillet clair, moins contrasté que les deux autres, est le cœur hydrophobe formé par les régions non polaires de ces molécules. Bien que les couches externe et interne aient le même aspect au microscope électronique, la description qui a été faite montre clairement que la membrane plasmique est asymétrique, c'est-à- dire que la face de la membrane en regard du fluide extracellulaire est différente de sa face cytosolique. Les carbohydrates (glucides) sont exclusivement localisés sur la face externe ; les deux faces n'ont pas les mêmes quantités ni les mêmes types de protéines et la composition lipidique, elle-aussi, diffère d'une hémi-membrane à une autre. L'asymétrie est en relation avec des fonctions différentes exercées par les surfaces externe et interne de la membrane. 9 Chapitre 2 : Biomembranes 2-2-1 La bicouche lipidique forme la barrière structurale de base qui entoure la cellule En plus d'être à l'origine de la fluidité, la bicouche lipidique assure au moins deux autres fonctions importantes : 1. Elle forme la structure de base de la membrane : Les phospholipides peuvent être vus comme les « piquets » qui soutiennent la « barrière » autour de la cellule. 2. Son cœur hydrophobe s'oppose au passage des substances hydrosolubles entre le FIC et le FEC : Beaucoup de substances hydrosolubles ne peuvent se dissoudre dans la bicouche lipidique et passer à travers elle. (Toutefois, les molécules d'eau elles-mêmes et quelques molécules non chargées comme le CO2 sont suffisamment petites pour passer entre les molécules de la barrière). Grâce à cette barrière, la membrane peut maintenir des combinaisons et des concentrations de solutés différentes à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule. 2-2-2 Les protéines membranaires remplissent des fonctions spécifiques variées Les diverses protéines de la membrane plasmique exercent les fonctions suivantes (Figure 3); 1. Canaux : Certaines protéines transmembranaires délimitent des voies remplies d'eau, ou canaux, à travers la bicouche lipidique. Leur présence permet aux ions hydrosolubles de petite taille d'entrer et de traverser la membrane sans être au contact direct des lipides internes hydrophobes. 2. Transporteurs : D'autres protéines servent de transporteurs et transfèrent des substances spécifiques de grande taille à travers la membrane qu'elles ne peuvent par elles- mêmes traverser. Canaux et transporteurs déterminent les substances qui doivent être transférées entre le FIC et le FEC. 3. Récepteurs. Beaucoup de protéines de la surface externe sont des récepteurs pourvus de sites qui « reconnaissent » et se lient spécifiquement à des molécules de l'environnement cellulaire. Cette liaison initie une série d'évènements membranaires et intracellulaires qui modifient l'activité d'une cellule. De cette façon, les messagers chimiques du sang, comme les hormones, ne peuvent influencer que les cellules qui expriment les récepteurs spécifiques même si toutes les cellules baignées par le sang sont exposées aux mêmes molécules. 10 Chapitre 2 : Biomembranes 4. Accepteurs de marqueurs d'arrimage : D'autres protéines encore, présentes sur la surface interne, sont des accepteurs de marqueurs d'arrimage qui se lient, selon le principe de la clé et de la serrure, aux marqueurs d'arrimage des vésicules de sécrétion. La sécrétion est initiée lorsque des signaux déclenchent la fusion entre la membrane de la vésicule et la face interne de la membrane plasmique via l'interaction entre leurs protéines SNARE. La vésicule de sécrétion s'ouvre et vide son contenu à l'extérieur par exocytose. 5. Enzymes : Un autre groupe de protéines fonctionnent comme des enzymes liées à la membrane catalysant des réactions chimiques spécifiques sur la surface interne ou sur la surface externe de la membrane. Cela est variable selon les types cellulaires. 6. CAMs : Ce sont les molécules d'adhésion cellulaire. Beaucoup de CAMs émergent de la surface externe et forment des boucles ou d'autres processus que les cellules utilisent pour s'accrocher les unes aux autres. Par exemple, les cadhérines, un type de CAM trouvé sur la surface de cellules adjacentes, se lient à la façon d'une fermeture éclair pour maintenir ensemble les cellules des tissus et des organes. D'autres CAMs, comme les intégrines, traversent la membrane plasmique et, d'un côté constituent un pont structural avec l'environnement extracellulaire et, de l'autre, connectent la surface interne avec l'échafaudage cytosquelettique. 2-3 Les glucides membranaires sont des marqueurs de l'identité du Soi Les courtes chaînes de sucres de la surface externe de la membrane jouent le rôle de marqueurs qui spécifient l'identité du soi et qui permettent aux cellules de s'identifier et d'interagir selon les voies suivantes : 1. Les différents types cellulaires ont des marqueurs différents : La combinaison unique de chaînes glucidiques exposées à la surface membranaire sert de marque de fabrique d'un type cellulaire particulier, permettant à une cellule de reconnaître celles qui appartiennent au même type et de se joindre à elles pour former un tissu. Si des cultures de cellules embryonnaires appartenant à deux types différents, cellules nerveuses et cellules musculaires par exemple, sont mélangées, elles se regroupent et forment deux agrégats distincts. La reconnaissance du Soi est aussi cruciale dans les réponses immunitaires de tout animal (complexe majeur d'histocompatibilité). 2. Les marqueurs de surface contenant des glucides sont aussi impliqués dans la croissance tissulaire qui doit être normalement continue dans les limites d'une certaine densité cellulaire. 11 Chapitre 2 : Biomembranes 3. Adhérence entre cellules Dans les organismes multicellulaires comme l'organisme humain, les membranes plasmiques ne sont pas uniquement les frontières des cellules ; elles jouent un rôle dans l'adhérence entre les cellules qui peuvent ainsi former des tissus réunis dans des organes. Les activités vitales de l'organisme ne dépendent pas seulement du fonctionnement des cellules individuelles dont il est constitué mais aussi de la façon dont ces cellules vivent et travaillent ensemble dans les tissus et les organes. L'organisation des cellules en ensembles appropriés est, pour partie au moins, attribuable aux chaines de sucres de la surface de leur membrane. Une fois constitué, l'assemblage des cellules est maintenu par trois moyens différents : 1) les molécules d'adhérence de la membrane ; 2) la matrice extracellulaire ; et 3) les jonctions intercellulaires spécialisées. 3.1 La matrice extracellulaire Un tissu n'est pas fait seulement de cellules et beaucoup de celles-ci ne sont pas directement au contact les unes des autres. Au lieu de cela, elles sont liées ensemble par la matrice extracellulaire (MEC), un gel aqueux à base de sucres complexes contenant un réseau de fibres protéiques. La MEC sert de « colle » biologique. Le gel aqueux permet la diffusion de nutriments, de déchets et d'autres substances hydrosolubles entre le sang et les cellules des tissus. Il porte habituellement le nom de liquide interstitiel. Trois types de fibres protéiques sont entrelacés dans le gel : le collagène, l'élastine et la fibronectine. Figure 10 – La matrice extracellulaire (A) Les principaux composants de la matrice extracellulaire dont le collagène, la fibronectine, et les protéoglycanes (B) Macrophage fixé sur une matrice extracellulaire observé par microscopie électronique. 12 Chapitre 2 : Biomembranes 1. Le collagène forme des lames ou des faisceaux fibreux résistants à l'étirement. 2. Les fibres d'élastine, une protéine dont les propriétés mécaniques ressemblent à celles du caoutchouc, sont très abondantes dans les tissus capables d'être étirés et de reprendre leur forme quand la force de traction n'existe plus. On en trouve, par exemple, dans les poumons qui se distendent et se rétractent au cours de la ventilation. 3. La fibronectine qui contribue à l'adhérence et à la fixation des cellules. Elle est en quantité réduite dans certains tissus cancéreux ce qui pourrait expliquer pourquoi les cellules cancéreuses adhèrent mal les unes aux autres et tendent à se détacher et à métastaser (gagner d'autres régions de l'organisme). La matrice extracellulaire est produite localement par des cellules qui s'y trouvent. La composition de la MEC varie selon les tissus de sorte que l'environnement n'est pas identique pour toutes les cellules de l'organisme. 3.2 Jonctions intercellulaires spécialisées Dans les tissus ou les cellules sont très proches les unes des autres, une certaine cohésion est assurée par les molécules d'adhérence (CAM) constituées par des protéines de la surface de la membrane dont les boucles et les crochets relient les cellules. En plus de la cohésion des tissus due à la matrice extracellulaire, certaines cellules sont reliées directement par des jonctions spécialisées dont il existe trois variétés : (1) les desmosomes (jonctions adhérentes) : (2) les jonctions étanches (jonctions imperméables) ; et (3) les jonctions communicantes (gap junctions). 1- Les desmosomes Les desmosomes jouent le rôle de « rivets » fixant entre elles les membranes plasmiques de deux cellules voisines mais ne se touchant pas. Un desmosome a deux composants : (1) une paire d'épaississements du cytoplasme en forme de bouton, appelé plaque, de la face interne de la membrane de deux cellules adjacentes et (2) de solides filaments qui traversent l'espace intercellulaire et sont fixés aux deux plaques (Figure 11). Ces filaments attachent ensemble les deux membranes cellulaires ce qui s'oppose à leur séparation. Les desmosomes sont des jonctions adhérentes. Ils sont abondants surtout dans les tissus soumis à de fortes contraintes mécaniques, comme la peau, le muscle cardiaque, les muscles lisses et l'utérus. 13 Chapitre 2 : Biomembranes Membrane plasmique Figure 11 – Desmosome. Les desmosomes sont des jonctions adhérentes qui ancrent les unes aux autres les cellules dans des tissus soumis à de fortes contraintes mécaniques. 2. Les jonctions étanches À l'endroit des jonctions étanches, les cellules sont étroitement fixées l'une à l'autre par un contact intime qui scelle le passage entre elles. Elles se trouvent dans les feuillets épithéliaux. Les épithéliums recouvrent l'organisme et tapissent ses cavités. Ils forment tous des barrières très sélectives entre deux compartiments de composition chimique différente. Par exemple, l'épithélium tapissant le tube digestif sépare les aliments et les puissants enzymes digestifs contenus dans la lumière des vaisseaux sanguins situés dans la paroi. Grâce à cela, seuls les aliments complètement digérés passent de la lumière vers le sang à l'opposé des particules alimentaires incomplètement digérées et des sucs digestifs. Les faces latérales des cellules épithéliales sont, en effet, étroitement scellées entre elles près de leur face luminale par la fusion de protéines spécialisées de la face externe de leur membrane plasmique (Figure 12). Ces jonctions étanches sont imperméables et ne laissent pas passer de matière entre les cellules. Le franchissement de l'épithélium a donc lieu à travers les cellules et non pas entre elles. Ce passage à travers les cellules est contrôlé par les canaux et les transporteurs existants. Si les cellules n'étaient pas solidarisées par les jonctions étanches, il pourrait y avoir 14 Chapitre 2 : Biomembranes des échanges de matière incontrôlés entre les compartiments par les espaces intercellulaires. Ces jonctions évitent les fuites à travers les épithéliums. Figure 12 – Jonctions étanches. Ce sont des jonctions imperméables qui unissent la face latérale des cellules épithéliales près de leur surface luminale, empêchant ainsi le passage de matière entre les cellules. Il ne peut donc y avoir que des passages contrôlés à travers les cellules qui constituent de ce fait une barrière très sélective entre deux milieux de composition chimique très différente. 15 Chapitre 2 : Biomembranes 3. Les jonctions communicantes Comme le nom de jonction communicante l'indique, un passage existe à ce niveau entre des cellules adjacentes qui sont réunies par de fins tunnels appelés connexons. Un connexon est constitué par six sous-unités protéiques disposées en une structure tubulaire creuse. Deux connexons de cellules adjacentes sont réunis bout à bout pour former le tunnel de communication entre elles (Figure 13). Il s'agit donc bien de jonctions communicantes. Du fait du faible diamètre du tunnel, seules de petites molécules hydrosolubles, comme des ions peuvent passer d'une cellule à l'autre alors que de grosses molécules comme les protéines ne le peuvent pas. C'est grâce à ces structures anatomiques que des ions (particules ayant une charge électrique) et de petites molécules peuvent s'échanger directement d'une cellule à une autre sans transiter par le LEC. Membrane plasmique Figure 13 – Jonction communicante. Les jonctions communicantes «gap junctions » sont faites de connexons qui sont de petits tunnels permettant le passage d'ions chargés entre deux cellules adjacentes. Les jonctions communicantes sont également la voie de passage de petites molécules-signal d'une cellule à une autre. Ceci permet la communication directe entre les cellules reliées par de telles jonctions et est un moyen possible de la coordination de leur activité. 16 Chapitre 2 : Biomembranes 4. Les échanges membranaires Tout ce qui s'échange entre la cellule et le milieu environnant doit être capable de franchir la membrane. La membrane est qualifiée de sélectivement perméable lorsqu'elle laisse passer certaines substances et pas d'autres. Dans certaines conditions, la perméabilité peut être contrôlée comme dans le cas de l'ouverture ou de la fermeture de canaux spécifiques. Figure 14 – Perméabilité sélective Deux propriétés des particules influencent leur capacité à traverser une membrane plasmique : (1) leur relative solubilité dans les lipides et (2) leur taille. Les substances très solubles dans les lipides traversent la membrane plasmique en se dissolvant dans la bicouche. Les molécules non polaires (comme O2, CO2, alcool, stéroïdes et acides gras) sont très liposolubles et traversent aisément la membrane. Les particules chargées comme les ions Na+ et K+ et les molécules polaires (comme le glucose et les protéines) sont très solubles dans l'eau et peu dans les lipides. La bicouche lipidique est une barrière imperméable à de telles substances. Pourtant certaines de ces substances, le glucose et les ions par exemple, doivent traverser la membrane pour que la cellule survive et fonctionne. Les cellules disposent de plusieurs types de transport assisté ou facilité (ceux assurés par les canaux et les transporteurs) pour déplacer à travers la membrane les particules qui ne peuvent pas le faire par elles-mêmes. 17 Chapitre 2 : Biomembranes Même si une particule a la possibilité de traverser la membrane en raison de sa solubilité dans les lipides ou de sa capacité à emprunter la voie d'un canal, une certaine force est nécessaire pour entraîner le mouvement. Deux types généraux de forces sont impliqués : (1) des forces passives, qui ne requièrent pas d'énergie et (2) des forces actives, qui requièrent de l'énergie cellulaire, sous forme d'ATP. Envisageons donc maintenant les deux méthodes de passage transmembranaire, le transport passif et le transport actif. 4-1 Transport passif 4-1-1 Transport membranaire non facilité Les molécules qui peuvent traverser la membrane plasmique par leurs propres moyens (c'est- à-dire sans aide) sont entraînées par deux forces : la diffusion dans le sens du gradient de concentration et/ou la conduction le long d'un gradient électrique.  Diffusion simple Que se passe-t-il si une membrane plasmique sépare deux milieux dont les concentrations d'une substance sont différentes ? Si la substance peut traverser la membrane, un flux net de diffusion s'établit dans le sens du gradient, c'est-à-dire du milieu le plus concentré vers celui qui l'est moins (Figure 15a). Aucune énergie n'est requise et le mouvement résulte d'un mécanisme de transport membranaire passif. Figure 15 – Diffusion à travers une membrane C'est de cette façon, par exemple, que l'oxygène est échangé au niveau des poumons. La pression en dioxygène est faible dans le sang qui arrive aux poumons, car le gaz a été donné aux cellules pour leur métabolisme. La concentration en O2 dans les poumons, par contre, est élevée car il est en permanence échangé par la respiration. En raison de ce gradient, il y a diffusion nette d'O2 dans le sang qui s'écoule à travers les poumons. En conséquence, le sang qui quitte les poumons et circule vers les tissus est riche en oxygène. 18 Chapitre 2 : Biomembranes  La conduction Le mouvement des ions est aussi affecté par leur charge électrique. Des charges identiques, de même signe, se repoussent alors que des charges de signes opposés s'attirent. Si une différence relative de charge existe entre deux aires adjacentes (Figure 16), les ions chargés positivement (cations) tendent à se déplacer vers l'aire la plus négativement chargée, tandis que les ions chargés négativement (anions) se dirigent vers celle qui est la plus positivement chargée. Une différence de charge entre deux régions adjacentes crée donc un gradient électrique qui induit un mouvement passif des ions (un processus appelé conduction). Quand un gradient électrique existe entre le FIC et le FEC, seuls les ions susceptibles de traverser la membrane peuvent conduire dans le sens du gradient, c'est- à-dire peuvent le descendre. L'existence simultanée d'un gradient électrique et d'un gradient de concentration chimique pour un ion donné représente le gradient électrochimique. Figure 16 – Mouvement le long d’un gradient électrique  L'osmose Les molécules d'eau peuvent traverser la plupart des membranes plasmiques. Bien que fortement polaires, elles sont toutefois suffisamment petites pour se glisser dans les espaces séparant les queues des phospholipides et se déplacer ainsi dans la bicouche. En tant que système enfermé dans une membrane, la cellule doit tenir compte d'une force puissante l'osmose - résultat du mouvement de l'eau dans le sens de son propre gradient à travers la membrane. On dit également l'eau se déplace par osmose vers l'aire où la concentration du soluté est la plus élevée (le soluté attire en quelque sorte l'eau). 19 Chapitre 2 : Biomembranes L'osmose intervient si la concentration totale des solutés n'est pas équivalente à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule. Les déséquilibres osmotiques peuvent être dirigés vers l'intérieur (conduisant au gonflement ou turgescence de la cellule) ou vers l'extérieur (avec rétrécissement ou plasmolyse de la cellule). Sans neutralisation, le mouvement osmotique de l'eau peut altérer le fonctionnement de la cellule et, à l'extrême, entraîner sa destruction. Figure 17 – Tonicité et mouvement osmotique d’eau 4-1-2 Transport membranaire facilité (assisté) Tous les types de transport que nous avons détaillés jusqu'à présent diffusion dans le sens des gradients de concentrations, conduction le long de gradients électriques et osmose produisent des mouvements nets de molécules d’eau capables de traverser la membrane en raison de leur petite taille. Les molécules de grande taille, peu solubles dans les lipides comme les protéines, le glucose et les acides aminés ne peuvent pas traverser la membrane plasmique par leurs propres moyens, quelles que soient les forces qui agissent sur elles. La plupart des petites molécules, chargées comme les ions, ont la même propriété. Cette imperméabilité de la membrane est une garantie contre la fuite des grandes protéines intracellulaires et des ions essentiels. Toutefois, à cause même de cette imperméabilité, la cellule doit être pourvue de mécanismes qui lui permettent de transporter délibérément ces types de molécules vers l'intérieur ou l'extérieur quand cela est nécessaire. Par exemple, elle doit introduire des 20 Chapitre 2 : Biomembranes nutriments essentiels comme le glucose pour l'énergie et les acides aminés pour la synthèse des protéines, et évacuer les déchets métaboliques et les produits de sécrétion comme les hormones protéiques hydrosolubles et les enzymes digestives. Certains ions doivent entrer ou quitter la cellule, pour le déclenchement de processus de signalisation, comme ceux qui se déroulent dans les neurones. Les cellules utilisent deux classes de mécanismes pour accomplir le transport sélectif de telles molécules : (1) transport médié par un canal ou un transporteur pour transférer de petites molécules hydrosolubles à travers la membrane et (2) transport vésiculaire pour le déplacement des grandes molécules voire de particules multimoléculaires.  Le transport assuré par canal Comme cela a été vu précédemment, les canaux et les transporteurs sont des protéines transmembranaires qui jouent le rôle de voies sélectives pour le mouvement de substances hydrosolubles à travers la membrane. Il y a toutefois des différences notables entre eux. (1) Seuls les ions (et l'eau, dans le cas des aquaporines) empruntent la voie de canaux étroits, alors que les molécules polaires de taille modérée, comme le glucose et les acides aminés, sont véhiculés à travers la membrane par des transporteurs. (2) Les canaux appelés canaux à porte peuvent être ouverts ou fermés suite à des changements de conformation en réponse à un mécanisme contrôlé ; d'autres, appelés canaux de fuite, sont ouverts en permanence, permettant la fuite non régulée d'ions spécifiques dans le sens de leurs gradients. Comme les canaux de fuite, les transporteurs sont pratiquement toujours ouverts pour l'emploi mais ils fonctionnent selon différents mécanismes. (3) Le mouvement médié par les canaux est considérablement plus rapide que celui assuré par un transporteur. Les canaux accessibles au trafic sont ouverts des deux côtés simultanément et permettent ainsi un déplacement continu et rapide des ions entre le FEC et le FIC. Ce sont des voies de passage non-stop. Au contraire, les transporteurs ne sont jamais ouverts simultanément du côté du FEC et du FIC. Ils doivent changer de forme pour capturer alternativement les molécules passagères d'un côté de la membrane et les libérer de l'autre côté selon un processus qui demande un certain temps. Tandis qu'un transporteur peut déplacer jusqu'à 5 000 particules par seconde à travers la membrane, un canal peut déplacer 5 millions d'ions pendant le même temps. 21 Chapitre 2 : Biomembranes Les canaux sont hautement sélectifs. Non seulement leur petit diamètre empêche le passage de particules de diamètre supérieur à 0,8 nm, mais un canal donné attire ou repousse aussi sélectivement des ions spécifiques. Par exemple, les canaux sodium (Na +) et les canaux potassium (K+) ne laissent passer, respectivement, que les ions Na+ et K+. La sélectivité est due à des arrangements spécifiques de divers groupements chimiques présents sur les surfaces internes des protéines qui forment la paroi des canaux.  Transport médié par des transporteurs Les protéines de transport traversent l'épaisseur de la membrane et sont soumises à des changements de conformation, de telle sorte que les sites spécifiques de liaison sont alternativement exposés sur chaque côté de la membrane. La Figure 18 représente schématiquement la façon dont le processus de transport médié par un transporteur se déroule. La fixation de la molécule à transporter sur un site du transporteur exposé d'un côté de la membrane (étape 1), engendre un changement de conformation qui entraîne le site de l'autre côté de la membrane (étape 2). Puis, la molécule ainsi déplacée d'un bord de la membrane à un autre, se détache du transporteur (étape 3). Une fois le passager libéré, le transporteur retrouve sa conformation de départ (étape 4). Figure 18 – Diffusion facilitée, une forme de transport passif médié par un transporteur 22 Chapitre 2 : Biomembranes Comme tout transport médié par un transporteur, la vitesse de la diffusion facilitée est limitée par la saturation des sites de liaison, contrairement à la diffusion simple, où elle est toujours directement proportionnelle au gradient de concentration. 4-2 Le transport actif Le transport actif met également en jeu un transporteur protéique qui transfert une substance spécifique à travers la membrane mais, dans ce cas, contre son gradient de concentration. Le transport actif se présente sous deux formes. Dans le transport actif primaire, l'énergie est directement requise pour déplacer la substance contre son gradient de concentration ; le transporteur hydrolyse la molécule d'ATP pour assurer le transport. Dans le transport actif secondaire, de l'énergie est également requise mais elle n'est pas directement utilisée pour produire le mouvement contraire. Cela signifie que le transporteur n'utilise pas directement l'énergie d'hydrolyse de l'ATP ; il déplace une molécule contre son gradient, donc vers le haut du gradient en exploitant une énergie de « seconde main » stockée sous la forme d'un gradient de concentration ionique (gradient de Na+ généralement). Le gradient ionique est établi par un mécanisme de transport actif primaire mettant en jeu un autre transporteur. 4-2-1 Transport actif primaire Les systèmes de pompe les plus simples sont ceux qui déplacent un seul type de passager. L'exemple est celui de la pompe à ion hydrogène (proton ou H+). D'autres mécanismes plus compliqués de transport actif assurent le transfert de deux passagers différents, soit simultanément dans la même direction (c'est un symport) ou, séquentiellement, dans des directions opposées (c'est un antiport).  Transport actif primaire : La pompe ATPasique Na+/K+ L'exemple le plus important de pompe antiport est sans aucun doute la pompe ATPasique Na+/K+ (ou pompe Na+/K+), présente dans la membrane plasmique de toutes les cellules animales. Elle transporte Na+ hors de la cellule, le concentrant dans le FEC des organismes multicellulaires et récupère K+ pour le concentrer dans de FIC (Figure 19). La pompe a une forte affinité pour Na+ du côté du FIC. La fixation du Na+ déclenche l'activité ATPasique, l'hydrolyse de l'ATP et la phosphorylation du transporteur sur la face intracellulaire de la membrane, induisant le changement de conformation qui déplace Na+ vers l'extérieur. Simultanément, le changement de forme accroît l'affinité du transporteur pour le K + du côté du FEC. La fixation de K+ entraîne la déphosphorylation, induisant un nouveau changement de 23 Chapitre 2 : Biomembranes conformation qui assure le transfert de K+ dans le cytoplasme. Il n'y a pas, toutefois, d'échange direct entre Na+ et K+. La pompe expulse 3 Na+ pour 2 K+ introduits. Figure 19 – Pompe Na+/K+. La membrane plasmique de toutes les cellules contient un transporteur de transport actif, la pompe Na +/K+, qui utilise un cycle de phosphorylation-déphosphorylation pour transporter séquentiellement Na + hors de la cellule et K+ dans celle-ci à l'encontre de leurs gradients de concentration. La pompe échange 3Na + pour 2K+ pour chaque molécule d'ATP clivée La pompe Na+/K+ (Figure 19) assure deux rôles importants : 1. Elle maintient les gradients de concentration sodique et potassique de part et d'autre de la membrane plasmique de toutes les cellules. Ces gradients sont importants pour les transports actifs secondaires ainsi que pour la capacité des cellules nerveuses et musculaires de générer des signaux électriques essentiels pour leur fonctionnement 24 Chapitre 2 : Biomembranes 2. Elle participe à la régulation du volume cellulaire en contrôlant les concentrations de solutés intracellulaires et ainsi en minimisant les effets osmotiques qui pourraient entraîner gonflement ou rétraction de la cellule. 4-2-2 Transport actif secondaire En plus des transports actifs primaires, beaucoup de cellules peuvent assurer le transport actif de certaines molécules par le biais de symporteurs (encore appelés co-transporteurs) qui ont deux sites de liaison, un pour un ion et l'autre pour la molécule nutritive. Ce type de transport utilise une énergie de « seconde main » stockée sous la forme d'un gradient ionique électrochimique établi (par exemple, un gradient Na+) pour déplacer la molécule co- transportée contre son gradient. La molécule co-transportée fait un trajet gratuit car de toute façon Na+ doit être pompé vers l'extérieur pour que l'intégrité électrique et osmotique de la cellule soit maintenue. Focalisons-nous sur le symport des cellules épithéliales intestinales. Ce transporteur, identifié sous le nom de co-transporteur sodium et glucose ou SGLT, est localisé sur la membrane luminale des cellules (celle qui fait face à la lumière intestinale). Les pompes Na+/K+ sont ancrées dans la membrane basolatérale (à la base et sur la bordure latérale sous les jonctions serrées ; voir Figure 20). Plus de Na+ est présent dans la lumière qu'à l'intérieur de la cellule en raison de l'activité de la pompe Na+/K+. Suite à cette différence de concentration, Na+ se lie plus facilement au SGLT lorsqu'il est exposé du côté de la lumière que lorsqu'il fait face au FIC (Figure 20, étape 1). La fixation du Na+ augmente l'affinité du transporteur pour le glucose ; le transporteur a donc une forte affinité pour le glucose quand il est exposé du côté luminal (étape 2a). Une fois Na+ et glucose liés, le transporteur change de conformation et s'ouvre sur la face cytosolique de la membrane (étape 2b). Na+ et glucose sont tous deux libérés à l'intérieur, le premier en raison de la faible concentration intracellulaire de cet ion, le second suite à une diminution de l'affinité du site entraînée par le détachement de Na + (étape 2c). Bien noter qu'au cours de ce processus, le mouvement du Na+ est descendant, c'est-à- dire qu'il se réalise dans le sens du gradient de concentration, alors que celui du glucose est ascendant contre le gradient de concentration car le glucose devient concentré à l'intérieur de la cellule (en d'autres termes, c'est une diffusion facilitée pour le sodium et un transport actif pour le glucose). Le Na+ libéré est rapidement pompé hors de la cellule par l'ATPase 25 Chapitre 2 : Biomembranes Na+/K+ de telle sorte que la concentration intracellulaire de l'ion soit toujours basse. Le glucose introduit dans la cellule est ensuite transféré passivement dans le sang, dans le sens de son gradient, à travers la membrane basolatérale (étape 3). Ce mouvement est une diffusion facilitée, médiée par un autre type de transporteur membranaire. C'est un transporteur GLUT, identique à celui qui fait entrer le glucose dans les autres cellules, alors que dans les cellules intestinales et dans les cellules rénales, il l'expulse. La différence tient à l'orientation du gradient de concentration. Dans les cellules intestinales et rénales, le glucose est à plus forte concentration à l'intérieur en raison du transport actif secondaire. Figure 20 – Symport de glucose. 26 Chapitre 2 : Biomembranes 4-3 Transport vésiculaire Les molécules polaires de plus grande taille, telles les hormones protéiques sécrétées par les cellules endocrines ou les matériaux multimoléculaires, comme les bactéries ingérées par les globules blancs du sang ne peuvent pas traverser la membrane plasmique même avec l'aide de protéines membranaires. Ces particules volumineuses sont transférées entre le FIC et le FEC emballées dans des vésicules limitées par une membrane, processus connu sous le nom de transport vésiculaire. Ce type de transport réclame une dépense énergétique de la part de la cellule, c'est donc aussi un mécanisme de transport actif. L'énergie est nécessaire pour la formation et le déplacement de la vésicule dans la cellule. Le transport vésiculaire, vers l'intérieur est une endocytose, et, vers l'extérieur, une exocytose. Une caractéristique importante de ce type de transport est que le matériel ainsi séquestré ne se mélange jamais au cytosol. Les vésicules sont adressées à une membrane cible qu'elles reconnaissent et avec laquelle elles fusionnent assurant ainsi un transfert direct du matériel désigné entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule. 4-3-1 Endocytose Dans l'endocytose, la membrane plasmique entoure la substance à ingérer et ses bords fusionnent pour libérer une vésicule qui séquestre le matériel et le véhicule à l'intérieur de la cellule (voir Figure 21). Figure 21 – Endocytose Il y a trois formes d'endocytose dépendant de la nature du matériel internalisé : pinocytose (prélèvement non sélectif de FEC), endocytose médiée par un récepteur (prélèvement sélectif d'une molécule de grande taille) et phagocytose (prélèvement sélectif d'une particule multimoléculaire ou d'une cellule). Une fois à l'intérieur de la cellule, la vésicule a deux destinées possibles : 27 Chapitre 2 : Biomembranes 1. Dans beaucoup de cas, des lysosomes fusionnent avec elle pour dégrader le contenu et libérer les produits de la digestion dans le fluide intracellulaire. 2. Dans certaines cellules, la vésicule endocytotique évite les lysosomes et chemine vers le côté opposé de la cellule où elle libère son contenu par exocytose. Cela crée un trafic de matériel intact à travers la cellule. Un trafic de ce genre est le moyen par lequel les matériaux sont transférés à travers les cellules qui limitent les capillaires des vertébrés, au niveau desquels s'effectuent les échanges entre le sang et les tissus environnants. 4-3-2 Exocytose L'exocytose est pratiquement le phénomène inverse de l'endocytose. Une vésicule limitée par une membrane, formée à l'intérieur de la cellule, fusionne avec la membrane plasmique et libère son contenu à l'extérieur (Figure 22). Figure 22 – Exocytose Le processus sert deux buts différents : 1. Il procure un mécanisme de sécrétion pour les molécules polaires de grande taille, qui ne peuvent pas traverser la membrane plasmique. Dans ce cas, le contenu vésiculaire est hautement spécifique et n'est libéré qu'après réception de signaux appropriés. 2. Il assure le transfert vers la membrane de composés spécifiques comme les protéines de transport, les canaux où les récepteurs qui sont à la base du fonctionnement de la cellule.  Équilibre entre endocytose et exocytose La vitesse de l'endocytose et de l'exocytose doit être équilibrée de manière à maintenir constants la surface de la membrane et le volume de la cellule. Plus de 100 % de la membrane peuvent être en une heure internalisés dans les vésicules d'une cellule impliquée dans une endocytose active, ce qui nécessite un remplacement rapide de la surface par exocytose. Au contraire, quand une cellule est stimulée pour sécréter elle peut augmenter temporairement plus de 30 fois sa surface membranaire par exocytose. Ce surplus membranaire doit être récupéré par un niveau d'activité endocytotique strictement équivalent. 28 Chapitre 2 : Biomembranes 5. Isolement des membranes II est relativement difficile d’obtenir une fraction de la membrane plasmique dépourvue d’autres contaminants membranaires. Nous ne rentrerons pas ici dans le détail des techniques d’isolement et de purification qui sont souvent complexes. En revanche nous décrirons les étapes d’isolement de membrane plasmique d’hématies qui constituent un matériel particulièrement favorable pour l’étude des membranes. Les hématies, ou globules rouges, de mammifères sont en effet des cellules non nucléées, sont également dépourvues de tout système membranaire interne et la membrane cytoplasmique entoure un hyaloplasme essentiellement constitué d’hémoglobine. À partir d’une grande quantité de globules rouges il est donc possible de récupérer une fraction de membrane plasmique pratiquement pure. ✓ Les hématies sont dans un premier temps séparées du sérum par centrifugation de façon à éviter une contamination par les protéines de ce sérum. ✓ Elles sont recueillies dans un milieu physiologique le plus isotonique possible par rapport au sérum (on utilise généralement du NaCl à 0,9 %). ✓ Les hématies sont ensuite traitées par un choc osmotique (transfert dans un milieu plus dilué, c’est-à-dire hypotonique) qui a pour effet de faire gonfler les cellules et de provoquer une hémolyse, c’est-à-dire une diffusion du contenu cellulaire et en particulier de l’hémoglobine hors des cellules. ✓ Après hémolyse les membranes se referment et sont récupérées par centrifugation. ✓ On recueille alors des fractions très enrichies en membranes plasmiques, sortes de cellules dépourvues de tout contenu : ce sont de véritables fantômes cellulaires. Figure 23 – Isolement des membranes plasmiques à partir des hématies 29 Chapitre 2 : Biomembranes L’analyse chimique de ces structures a montré qu’elles contenaient une proportion importante de lipides (40 % de la masse), associés à des protéines et des glucides. 30